工程索道創新訓練平臺的規劃建設

周新年，巫志龍，周成軍，鄭麗鳳，張正雄，

沈嶸楓，馮輝榮，鄭世飛，程 良，劉富萬

(福建農林大學 交通與土木工程學院，福州 350002)

高校實驗室的首要任務是實現大學生動手實踐能力的加強和創新思維能力的提高，造就高素質的創新性實踐人才。高校實驗室是實施高校教學、開展科研工作必不可少的組成成分，是高校傳播知識和實現科技創新的重要基礎[1]。結合工科特有的專業特色，改革傳統的單一人才培養模式，把大學生創新人才培養與創新訓練、專業課程建設及實踐教學相結合。因此，在教學改革的環境中，綜合創新訓練平臺的規劃建設就愈顯重要。這對提高學生的參與熱情，擴大參與面，激發并培養學生的專業興趣，提高學生的實踐創新能力具有重要的現實意義。

1 建設背景

福建農林業大學在1972年在國內率先建成了工程索道室內實驗室；2008年初在福州倉山校區建成國內一流的室內工程索道實驗室。該實驗室擁有齊全、先進的設備設施，有利于研究生和本科生的科研項目與教學活動的開展。但是由于目前實驗室受廠房水平與垂直空間的限制，存在索道跨距小，教學綜合平臺建設不完整不集中。這對真實模擬索道作業存在差距，使大學生開展工程索道科學的創新訓練受到限制。實驗教學建設和發展，應遵循“集中實驗室空間和實驗室設備，進行統一地集中建設，進而達到深化實驗教學內容，提高實驗教學質量”的原則[2]。根據福建農林業大學新一輪學科發展需要，包括交通與土木工程學院在內的4個工科學院將整體搬遷至大學城新校區。工程索道實驗室的新建將抓住機遇，對目前工程索道實驗室存在不足給予改進，進行超前規劃設計，構建大學城新校區新建大型室內工程索道實踐與創新訓練平臺。該平臺包括現場試驗、設備開發、動態仿真和裝備展示4個模塊。該項目建成后必將為培養相關專業的本科生，碩士生、博士生和博士后專業實踐技能實訓和開展提供平臺[3]。

2 建設內容

2.1 平面布置

擬在大學城新校區新建的工程索道創新訓練平臺的室內廠房實驗室，進行索道現場實驗平臺的建設和設備展示平臺建設。工程索道創新訓練實驗室平面布置，如圖1所示(單位：m)。

注：1-5、6-8、9-15絞盤機間隔3 m；絞盤機安設位置3m×4 m。

1-15.各型式絞盤機(2-1A、紅旗、東風液壓、J3、J3-B、XJ1自走式、SJ-23、閩林821、武夷781、JSD3-1.5、JS3-1.5、JSX2-0.8、JSX2-0.4、JS1-0.4A、QJ-11等)；16.各類跑車及索道附屬裝置；17.模型展示區；18.采伐機械區；19.森林作業與規劃動態仿真實驗室；20.工程索道與懸索橋研究室；21.JSD3-2絞盤機(現場試驗索道動力)；22、28.索道下、上支點；23、25.可移動式鞍座；24.試驗索道承載索；26.滑索；27.大門；29.客運索道迂回輪；30.運載索；31.中間支架；32.客運索道驅動輪

圖1工程索道創新訓練實驗室平面布置

Fig.1 The layout of the innovation training laboratory of engineering ropeway

2.2 索道現場試驗平臺建設

索道現場試驗平臺的建設包括：鞍座可移動的多跨遙控索道和全懸增力式多跨索道，以及雙向座椅式滑索和單線循環吊椅式客運索道。鞍座可移動式全懸增力式多跨索道建成后，通過移動鞍座位置，實現單跨、雙跨和三跨，通過更換跑車形式，實現遙控索道和增力式索道的變換。在此基礎上，為開展各跨懸索拉力與線形在不同載荷作用下的變化規律，各跨懸索拉力與線形隨荷重點不同位置的變化規律，索道振動測試，鋼絲繩無損檢測，滑速影響因子測控，客運索道操作控制、索力動態測試等方面的工程索道科學創新訓練提供良好的實驗條件。利用納米繩材料性能優勢，以納米繩替換鋼絲繩，進行納米繩滑索設計，選擇在軍事偵察領域中的運用為突破口進行創新研究。

室內索道現場實驗平臺架設的索道技術參數，見表1；座椅式滑索技術參數，見表2；客運索道架設技術參數，見表3。

表1 索道架設技術參數

表2 滑索架設技術參數

表3 客運索道架設參數

2.3 索道設備展示平臺建設

(1)索道設備區。該區集中展示索道絞盤機和跑車類型均居全國首位。可保證不同需求的教學和社會服務，可向師生或人們展示索道設備的歷史和人類的智慧結晶，開拓視野、增長見識。索道設備展示平臺的絞盤機和跑車，見表4。

除了各種絞盤機和跑車型號外，并配套完整的傳動系統圖和適宜的索道索系圖。在熟練掌握現有索道絞盤機與跑車的結構及工作原理的基礎上，激發學生的創新興趣，提出改進方案或創新研制新設備新裝置的思路，可微機設計虛擬樣機，可動手做實物模型，也可以創新做實物裝置或設備。

表4 索道設備展示平臺的絞盤機和跑車

(2)采伐機械區。具有各種木材采伐與造材油鋸18臺，其中有9臺美國、芬蘭、德國和日本等先進國家的設備，該區可開展對生態采伐新技術的研究，采伐機械的科研實驗，開展對進口設備新技術的吸收、消化、仿真設計與創新等。

(3)模型展示區。該展區可展示歷屆學生所制作的模型，如：索道、跑車等模型。這些制作的模型可作為教學所用，可增強學生探索的欲望，提升學生的動手能力，豐富學生的課余生活，也能起到促進理論與實踐相結合的教學目的。

2.4 索道設備開發平臺建設

(1)絞盤機。絞盤機是工程索道系統中的重要設備，發展歷史源遠流長。但目前國內外對絞盤機研究很少，傳統的絞盤機存在設備笨重，操作強度大噪音大等缺陷。

上世紀50年代至今，我國已先后仿制和研發絞盤機共40余種。以可持續發展的眼光，著眼于經濟發展，科技進步，絞盤機必然走向小型化、智能化、多樣化和環境友好化的趨勢。該平臺的建設將為新型索道設備開發提供良好條件，在對人工林集材設備與工藝進行系統地研究的基礎上，結合實際的生產需要開發為人工林采集服務的輕便實用性設備，研制多功能、自走式，輕型、液壓和遙控的索道絞盤機等。

(2)跑車。跑車是林業架空索道吊運木材的裝置[4]。該平臺將以開發科學、先進和新穎性強的遙控設備為中心，建立跑車虛擬樣機，運動學和動力學模型，研究握索機構和起升機構的動態特性，系統研制跑車智能控制理論；開展以YP2遙控增力式跑車，配套JS3-2絞盤機組成的SJ-2/2型遙控索道的研究等。

2.5 索道動態仿真平臺建設

索道動態仿真平臺建設建立在索道現場實驗平臺的基礎上，利用鋼索懸鏈線分析懸索拉力和線形，比較不同懸吊狀況下的懸索參數、張力和幾何變化。對新型絞盤機與跑車運行狀態進行模擬。對各類索道運行仿真，針對全懸和半懸增力式索道、單索型和雙索型松緊式索道，分別模擬其運行的全過程，包括回空、捆木、起升、承載和卸捆5個環節。通過動態仿真平臺的動態模擬為學生提供更加直接生動的教學環境，為投入實際工作和創造生產力提供重要的實驗平臺。

森林作業動態仿真實驗室，可模擬演示木材采集運貯各種作業模式的全過程，是木材生產技術與管理、工程索道和林業生產規劃等科研創新平臺。該設備采用計算機多媒體程序控制技術，做到聲音、圖像、字幕同步或異步顯示。如森林采伐、集材(畜力、拖拉機、索道、滑道)，木材運輸(汽運、森鐵運輸、水運)及貯木場作業的全過程。

3 預計成效

對本科生進行科技創新訓練的人才培養模式，是國內外普遍認同的一種模式。大學生通過動手實踐才能真正的獲得創新知識和創新能力。根據目前工程索道實驗室存在的局限，進行超前規劃設計，構建大學城新校區新建大型室內工程索道創新訓練平臺，重視創新訓練的育人作用。通過創新訓練平臺來培養創新人才，將工程索道教學與科研相結合，激發大學生創新意識和熱情，鍛煉大學生創新能力，造就優秀學生。

新建大型室內工程索道創新訓練平臺長為166 m，寬為38 m，高為16 m，面積為5 138 m2。彌補了原實驗室廠房水平和垂直的空間限制。索道跨度增加，教學平臺建設更加集中完整，更加真實的模擬工程索道的實際作業狀況，對大學生開展工程索道科學的創新訓練將有巨大的幫助。如：創建測試創新平臺，鞍座可移動式全懸增力式多跨索道建成后，可通過移動鞍座位置，實現單跨、雙跨和三跨全懸增力式索道，實測不同鞍座點位置，各跨懸索的線形與拉力，揭示其變化規律，將理論值與實測值進行比較分析與驗證；不同鞍座點位置，各跨懸索拉力與線形隨荷重點位置不同的實測值，并揭示其變化規律；鞍座移動至不同位置時，懸索的應力狀態與振動特性測試等方面，都能提供良好的實驗條件。更進一步，工程索道創新訓練平臺的建設也為實現懸索理論突破搭設平臺。傳統的拋物線理論僅適用于小撓度范圍(S0=0.03～0.05)，且應用于增力式多跨索道設計中存在一定誤差。單跨懸鏈線理論較成熟，多跨懸鏈線理論尚未得到工程實踐驗證。該創新設計通過可移動式鞍座，分析懸索在不同鞍座點位置的實際線形與拉力，獲得連續多點理論值，建立各鞍座點處線形及拉力的狀態協調方程，建立多跨懸鏈線理論模型，完善多跨索道懸鏈線理論體系。

工程索道創新訓練平臺建設的現場實驗平臺、設備展示、設備開發平臺和動態仿真平臺，4個平臺相互聯系，緊密結合，組成一個教學與實踐相輔相成，創新與實驗相互驗證的訓練平臺，必將為大學生開展更廣泛、更深層次的工程索道科學的創新實驗測試提供良好的實驗平臺。工程索道創新訓練平臺建設規劃方案，如圖2所示。

圖2 工程索道創新訓練平臺建設方案

4 展 望

“實踐是內容最豐富的教科書，是實現創新最重要的源泉，是貫徹素質教育最重要的場所，是完成簡單到綜合、知識到能力、聰明到智慧轉化的催化劑”[5]，這已成為當今實踐教學改革的先進理念。而創新訓練平臺的建設正是這一先進教學理念最有力的實踐，既在培養高素質創新性應用型人才的過程中起到重要的促進作用，同時在平臺中提高了師生的整體素質。

工程索道創新訓練平臺建設的目標是成為國內一流研究水平的實驗室和具有國際先進水平的創新平臺，將大學生培養成具有創新思維和創新能力作為教學理念通過“構建兩個體系，搭建三個平臺”[6]的創新能力培養體系，整合資源，實現教學和科研的相互促進。培養高素質實踐型人才必須建設好工程索道創新訓練平臺，這將有力地推進交通與土木工程學院森林工程及其它相關專業的實驗教學內容、體系、方法和手段的改革與提升。在工程索道創新訓練平臺能完成一個完整的實踐實訓過程，這對掌握理論基礎，提升實踐能力，再勇登科研高峰的人才培養將起到十分重要的作用。

【參 考 文 獻】

[1]徐 澤.淺談工科實驗室在培養大學生科技創新能力中的重要作用[J].吉林畫報·新視界，2011，(5)：34-35.

[2]劉慶君.淺析高校工科專業實驗室的建設與發展[J].科教文匯，2010(34)：92，97.

[3]周新年，張正雄，鄭麗鳳，等.“工程索道”國家級精品課程建設[J].福建農林大學學報：哲學社會科學版，2011，14(3)：86-90.

[4]周新年.工程索道與懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2013.

[5]劉 宏.創建研究性綜合實驗平臺的探索與實踐[J].當代教育理論與實踐，2014，6(2)：63-65.

[6]周新年，邱榮祖，張正雄，等.森林工程創新人才培養綜合改革與實踐[J].森林工程，2013，29(6)：171-175.